量子生物学とAIを用いてゲノム編集ツールを改良(Scientists use quantum biology, AI to sharpen genome editing tool)

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2023-11-07 オークリッジ国立研究所(ORNL)

◆オークリッジ国立研究所の科学者は、CRISPR Cas9ゲノム編集ツールの性能を向上させるために、量子生物学、人工知能、バイオエンジニアリングに関する専門知識を活用し、微生物などの生物に適用できるようにしました。
◆この研究により、生物工学における強力なツールであるCRISPRのガイドRNA設計を改善し、微生物のゲノム編集が効率的に行えるようになります。このモデルには、量子化学のプロパティも組み込まれ、細胞核でのガイドRNAのDNA結合に対する影響を理解し、最適なガイドRNAを選択するのに役立ちました。
◆この研究は、CRISPR技術の改善と生物学的メカニズムの理解に貢献し、遺伝子型から表現型へのリンクを向上させる重要な一歩です。

<関連情報>

説明可能な AI 主導の特徴エンジニアリングによる CRISPR-Cas9 sgRNA 効率に関する量子生物学的洞察 Quantum biological insights into CRISPR-Cas9 sgRNA efficiency from explainable-AI driven feature engineering

Jaclyn M Noshay, Tyler Walker, William G Alexander, Dawn M Klingeman, Jonathon Romero, Angelica M Walker, Erica Prates, Carrie Eckert, Stephan Irle, David Kainer,Daniel A Jacobson
Nucleic Acids Research  Published:20 September 2023
DOI:https://doi.org/10.1093/nar/gkad736

Abstract

CRISPR-Cas9 tools have transformed genetic manipulation capabilities in the laboratory. Empirical rules-of-thumb have been developed for only a narrow range of model organisms, and mechanistic underpinnings for sgRNA efficiency remain poorly understood. This work establishes a novel feature set and new public resource, produced with quantum chemical tensors, for interpreting and predicting sgRNA efficiency. Feature engineering for sgRNA efficiency is performed using an explainable-artificial intelligence model: iterative Random Forest (iRF). By encoding quantitative attributes of position-specific sequences for Escherichia coli sgRNAs, we identify important traits for sgRNA design in bacterial species. Additionally, we show that expanding positional encoding to quantum descriptors of base-pair, dimer, trimer, and tetramer sequences captures intricate interactions in local and neighboring nucleotides of the target DNA. These features highlight variation in CRISPR-Cas9 sgRNA dynamics between E. coli and H. sapiens genomes. These novel encodings of sgRNAs enhance our understanding of the elaborate quantum biological processes involved in CRISPR-Cas9 machinery.

Graphical Abstract

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細胞遺伝子工学
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